抽水蓄能電站發電機檢修工藝流程可視化系統的實現分析

張澤展，張立峰，王 毅

（南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511493）

0 引 言

與傳統電站建設相比，抽水蓄能電站在“無人化”的發展方面更為先進，不但能夠從根本上減少人力供應，也提升了管理效率和管理準確性。目前，國內開展管理抽水蓄能電站時，主要依靠進口監控系統來實現。但是，工作人員在使用進口系統的過程中，缺乏明確的檢修維護經驗，以致檢修工藝與實際使用需求無法緊密契合，最終造成資源浪費。

1 確定抽水蓄能電站發電機檢修方案

1.1 抽水蓄能電站發電機的檢修工藝內容

抽水蓄能電站使用的發電機組，主要有幾種特定的穩定運行工況，其中包括發電、抽水、發電調相、抽水調相以及開停機等。實際運行過程中，受工程要求的影響，需要進行多種工況轉換。轉換進行時，發電機組內部的電氣主設備和輔助設備需要持續操作，并進行復雜的控制。對于檢修工作而言，在開展發電機檢修前，應當明確發電機擁有的電磁參數。

我國抽水蓄能電站所采用的發電機組，通常為雙向旋轉運行的同步機組。在機組運行過程中，會產生一定規模的穩態電磁參數和瞬態電磁參數。其中，穩態電磁參數具體表現在同步電抗方面，而瞬態電磁參數則表現在瞬態電抗和超瞬態電抗兩個方面。因此，對于檢修工藝來說，通過判斷電磁參數，能夠在一定程度上獲知當前發電機組的運行性能，完成檢修優化。

1.2 抽水蓄能電站發電機檢修系統框架

基于對抽水蓄能電站的機組特性分析，本文在開展可視化系統設計前，首先明確故障樹分析的基本理念[1]。與傳統的檢修分析方式不同，故障樹分析法能夠對具有直接關聯和直接影響的各個分量進行邏輯推論，從而尋求系統出現問題的影響因素的邏輯關系，再通過圖形符號對邏輯關系進行表述，最終形成多個根事件共同組成的樹狀圖。

在故障樹分析中，首先應當結合技術規范、系統設計的相關資料，對所選用的發電機組的系統常態、故障態、故障事件進行定義，并依據故障分析追溯故障原因。系統故障的追溯，既應當包含對過去故障的分析，也應當包含對將來故障的預測，從而使系統能夠根據資料探查基本事件。隨后，要開始構造故障樹。故障樹的構造一般以假設條件為主要依據，根據系統資料提供邊界，最終確定故障情況，如表1所示。

表1 發動機故障樹系統邊界條件

1.3 可視化系統設計目標

本文在進行發電機檢修系統設計時，以可視化系統作為主要的設計方向。通過可視化系統的設計與應用，能夠在極大程度上提升檢修人員對檢修工作的理解。此外，隨著近些年來計算機技術與仿真技術的發展，三維仿真、虛擬現實等先進技術已經日趨成熟，能夠在機組檢修中發揮突出作用。

從更加宏觀的層面上考慮，抽水蓄能電站開展可視化系統的應用，能夠填補目前國內在該領域方面的空白，并為今后電站機組檢修提供寶貴的經驗。尤其是在抽水蓄能方面，發電機急速設備十分復雜，通過可視化系統的應用，能夠幫助發電機檢修培訓全面開展，從而使更多優秀人員進入檢修工作。在這個意義上，研發發電機檢修的可視化系統，系統除了應當具備對故障的判斷能力外，還應當具備機組檢修的仿真培訓功能。

此外，在檢修系統的設計中，由于運用了故障樹這一檢修判斷邏輯，使得復雜的發電機組內部部件更加具有關聯系。除了要能夠對當前發電機狀態進行判斷，可視化系統還應當結合故障樹，對未來可能會出現的故障進行預測，從而形成可行方案。

2 抽水蓄能電站的發電機檢修可視化系統設計

2.1 電磁參數計算

通過前文的論述可以看出，可視化系統作為發電機檢修的主要手段，應當對發電機組的電磁參數擁有計算能力。因此，設計時首先應當對其進行電磁參數函數導入[2]。以穩態電抗中同步電抗的計算為例，在發動機中，勵磁繞組和阻尼繞組均維持在開路狀態，此時定子三相繞組在直軸進行正弦磁動勢的施壓時，會出現一定的直軸磁場分布。通過三維磁場的有限元分析計算方法，能夠求得直軸的同步電抗。計算時通常采用斯托克斯公式：

式中，ψ為所進行計算的繞組磁鏈，Ne為磁場當中的單元個數，Ak為單元中第k個單元質心的矢量磁位，Vk則表示單元體積，l0k則代表第k個單元的方向單位矢量，N則為繞組的總匝數，S指繞組截面積。通過計算，最終可以獲得直軸磁場的同步電抗。

2.2 可視化系統的模塊設計

根據故障樹的邏輯原理，檢修可視化系統將發電機組的系統故障進行了匯總，并以模塊的形式進行展示。以某電站所采用的大型旋轉發電機組為例，該機組具有轉子大、轉速高等特點，在特殊水質環境下會出現故障。通過故障樹分析，將其故障總結為發電機故障、主變故障、軸承故障（包含主軸軸承和推力軸承）和過流故障等。不同的模塊對應的故障類型不同，系統操作可以通過模塊完成對故障情況的信息查看。為了保證可視化系統能夠與實時的發電機運行狀態保持一致，在進行系統設計時，本文還加入了監測項目，主要測定的內容為旋轉機械的震動情況。依據振動頻率可以分為三種不同的參數，分別為加速度、速度以及一般位移。通過振動頻率，可以十分直觀地觀測到諧波的分量。在該發電機組中，諧波分量與頻率放大程度呈現正相關關系。

2.3 仿真動畫展示設計

仿真動畫是可視化系統使檢修工藝流程更加直觀生動的重要步驟。系統中，應當結合發電機組的特點，設計出仿真演示訓練平臺。參與培訓的人員通過可視化系統平臺，能夠對機組故障情況、機組運行原理以及檢修方法進行全面了解。為了實現這一目標，本文有針對地選用了三維動畫作為表現方式，主要表現的內容包括檢修作業準備、措施檢查和檢修工藝等。其中，檢修工藝采用表格的方式，并采取文字描述等方式，對檢修工作中的工作步驟、操作內容進行展現，再通過形象的動畫演示方式進行表現，從而使文字敘述與動畫相互結合，明晰表現出檢修工藝的具體流程[3]。

例如，在檢修工作的密封工藝中，檢修手段主要包括準備工序、工具選擇、安全檢查和工作交底等步驟，而細分又能夠劃分為近100個工藝步驟，對于檢修工作具有極大挑戰。因此，在可視化系統中，可以采用實物對照圖、模擬仿真訓練的方式完成檢修工藝要求。其中，檢修所需運用的工具應當均有實物與之對應。在模擬仿真過程中，還需要通過實物拍攝的方式，將其以網頁頁面交互的方式進行呈現，從而實現條理清晰的菜單條目，幫助參與培訓的人員能夠清楚將仿真內容與實際檢修工作一一對應。

3 結 論

綜上所述，為了能夠使相對復雜的抽水蓄能電站發電機組實現清晰可控的檢修，需要結合目前技術手段中的虛擬現實技術進行可視化系統開發。可視化系統除了能夠使發電機組的檢修過程更加清晰可視外，還能夠依據相關的數據統計分析，對發電機組運行過程中可能出現的一系列故障問題進行分析和預測，最終實現發電機組的高效運用。